[发明专利]一种空心结构的多层硅-碳复合电极材料制备方法

说明书

本发明涉及一种空心结构的多层硅‑碳复合电极材料制备方法，通过有机硅水解在镁表面沉积二氧化硅、镁和氯化铝低温热还原、原位生长MOF材料、高温碳化、再有机硅水解沉积二氧化硅、再镁和氯化铝低温热还原、再原位生长MOF材料、再高温碳化，获得空心结构的多层硅‑碳复合电极材料。硅‑碳复合电极材料的层数为2～5；硅与碳的摩尔比为(0.2～5):1，且每层硅与碳的摩尔比是不一样的，且硅与碳的摩尔比从最里层到最外层逐渐减小。该硅‑碳复合电极材料具有很好的电化学性能，在锂离子电池领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种空心结构的多层硅-碳复合电极材料制备方法。

背景技术

硅材料具有电化学容量高、价格低廉、储量丰富等优点，是非常有应用前景的锂离子负极材料。但硅材料导电性差、在充放电过程中体积变化大等缺陷，严重影响了其循环寿命。目前，科研人员采用导电材料如碳材料、金属、导电聚合物等与硅复合，尤其是合成纳米级的硅基复合材料，显著改善了硅的电化学性能。

专利1(硅基复合材料及其制备方法、锂离子电池，申请号2019101723693)将SiO_x与碳源进行混料处理，获得SiO_x@碳源；在惰性气氛下将SiO_x@碳源混合物进行固化、碳化处理，得到SiO_x@碳；再加入导电聚合物单体及导电性碳材料，分散均匀，原位聚合，得到硅基复合材料；硅基复合材料为双层壳的核壳结构材料，外壳层为导电聚合物层，内壳层为碳层，且导电聚合物层上嵌有导电性碳材料。该方法获得的硅基复合材料作为锂离子电池负极材料时可以有效提高锂离子电池的电化学性能。

专利2(一种碳包覆硅纳米片和硅基复合材料及其制备方法，申请号2019100414048)将碳源、水与硅粉均匀搅拌；再水热反应制备碳包覆硅纳米片。该碳包覆硅纳米片与碳材料、碳源混合球磨、高温热处理，得到硅基复合材料。本发明的碳包覆硅纳米片和硅基复合材料的碳包覆层缓冲了硅的体积膨胀，增强了导电性，双包覆碳层进一步抑制硅的膨胀，提高了首次充放电效率和循环容量保持率。

但是，现有的技术主要是提高硅的导电性和压制硅材料的膨胀，而膨胀收缩导致硅颗粒破裂引起的脱粉问题没有解决。

发明内容

本发明目的在于提供一种空心结构的多层硅-碳复合电极材料制备方法，克服现有制备技术的缺陷，提高硅负极材料的电化学性能。为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：通过有机硅水解在镁表面沉积二氧化硅、镁和氯化铝低温热还原、原位生长MOF材料、高温碳化、再有机硅水解沉积二氧化硅、再镁和氯化铝低温热还原、再原位生长MOF材料、再高温碳化，获得空心结构的多层硅-碳复合电极材料；MOF为沸石咪唑类骨架材料和类石墨烯骨架材料的一种；沸石咪唑类骨架材料为ZIF-5，ZIF-7，ZIF-8，ZIF-9，ZIF-21，ZIF-67的一种；类石墨烯骨架材料为Cu₃(HHTP)₂,Ni₃(HITP)₂的一种；硅-碳复合电极材料的层数为2～5；硅与碳的摩尔比为(0.2～5):1；硅：镁：氯化铝的摩尔比为1：(2～5)：(1～20)；一种空心结构的多层硅-碳复合电极材料制备方法包括：

1)称量一定质量的金属镁和水，混合搅拌；

2)将有机硅的乙醇溶液滴入步骤1)的产物，搅拌1～40h；温度控制在10～100℃；

3)将步骤2)的产物分离、烘干，与低熔点盐混合，放入容器、抽真空、封闭、在200～500℃放置2～40h；

4)将步骤3)的产物投入盐酸溶液，浸渍5～60h；分离、去离子水洗涤、烘干；

5)将步骤4)的产物投入MOF前驱体的酒精溶液，在100～250℃原位合成MOF；

6)将步骤5)产物在300～1000℃放置2～40h；